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控机床故障诊断与维修- -
文字文字文字  系统可靠性的基本概念

　　系统可靠性是指数控系统在规定的条件和规定的时间内完成规定功能的能力，故障是指系统在规定的条件和规定的时间内失去了规定的功能。

数控机床是复杂的大系统，它涉及光、机、电、液等很多技术，发生故障是难免的。机械锈蚀、机械磨损、机械失效，电子元器件老化、插件接触不良、电流电压波动、温度变化、干扰、噪声，软件丢失或本身有隐患、灰尘，操作失误等都可导致数控机床出故障。
数控机床故障诊断

一．故障诊断内容

1）动作诊断：监视机床各动作部分，判定动作不良的部位。诊断部位是ATC、APC和机床主轴。

2）状态诊断：当机床电机带动负载时，观察运行状态。

3）点检诊断：定期点检液压元件、气动元件和强电柜。

4）操作诊断：监视操作错误和程序错误。

5）数控系统故障自诊断：

二．CNC系统诊断技术

当前使用的各种CNC系统的诊断方法归纳起来大致可分为三大类。

（1）启动诊断（Star up Diagnostics）

　　把CNC系统每次从通电开始到进入正常的运行准备状态为止，系统内部诊断程序自动执行的诊断。诊断的内容为系统中最关键的硬件和系统控制软件，如CPU、存储器、I/O单元等模块以及CRT/MDI单元、纸带阅读机、软盘单元等装置或外部设备。

（2）在线诊断（On— Line Diagnostics）

　　指通过CNC系统的内装程序，在系统处于正常运行状态时，对CNC系统本身以及与CNC装置相连的各个伺服单元，伺服电机，主轴伺服单元和主轴电机以及外部设备等进行自动诊断、检查。一般来说，包括自诊断功能的状态显示和故障信息显示两部分。
　　．接口显示：为了区分出故障发生在数控内部，还是发生在PLC或机床侧，有必要了解CNC和PLC或CNC和机床之间的接状态以及CNC内部状态。
　　．内部状态显示：
（a）由于外因造成不执行指令的状态显示。
（b）复位状态显示。
（c）TH报警状态显示，即纸带水平和垂直校验，显示出报警时的纸带错误孔的位置。
（d）磁泡存储器异常状态显示。
（e）位置偏差量的显示。
（f）旋转变压器或感应同步器的频率检测结果显示。
（g）伺服控制信息显示。
（h）存储器内容显示等。
　　故障信息显示的内容一般有上百条，最多可达600条。这许多信息大都以报警号和适当注释的形式出现。一般可分成下述几大类：
（a）过热报警类；
（b）系统报警类；
（c）存储器报警类；
（d）编程/设定类，这类故障均为操作、编程错误引起的软故障；
（e）伺服类：即与伺服单元和伺服电机有关的故障报警；
（f）行程开关报警类；
（g）印刷线路板间的连接故障类。

（3）离线诊断（Off—Line Diagnostics）

　　离线诊断的主要目的是故障导通知故障定位，力求把故障定位在尽可能小的范围内。现代CNC系统的离线诊断用软件，一般多已与CNC系统控制软件一起存在CNC系统中，这样维修诊断时更为方便。

（a）通讯诊断：用户只需反CNC系统中专用"通信接口"连接到普通电话线上，而在西门子公司维修中心的专用通信诊断计算机的"数据电话"也连接到电话线路上，然后由计算机向CNC系统发送诊断程序，并将测试数据输回到计算机进行分析关得出结论。
（b）自修复系统：备用模块则系统能自动使故障模块脱机而接通备用模块，从而使系统较快地进入正常工作状态。
（c）具有AI（人工智能）功能的专家故障诊断系统：
　　①在处理实际问题时，通过具有某个领域的专门知识的专家分析和解释数据并作出决定。
　　②专家系统利用专家推理方法的计算机模型来解决问题，并且得到的结论和专家相同。

三．伺服系统的诊断方法

　　采用发光二级管来批示故障可能产生的原因，例如过热报警，过流报警，过压报警，欠压报警，I2t值监控（用于电源电路）等。

数控机床维修

一．概述

　　数控机床的维修概念，不能单纯局限于数控系统发生故障时，如何排除故障和及时修复，使数控系统尽早投入使用，还应包括正确使用和日常保养等。

二．正确操作和使用数控系统的步骤

（1）数控系统通电前的检查
1）检查CNC装置内的各个印刷线路板是否紧固，各个插头有无松动。
2）认真检查CNC装置与外界之间的全部连接电缆是否按随机提供的连接手册的规定，正确而可靠地连接。
3）交流输入电源的连接是否符合CNC装置规定的要求。
4）确认CNC装置内的各种硬件设定是否符合CNC装置的要求。
　　只有经过上述检查，CNC装置才能投入通电运行。

（2）数控系统通电后的检查
1）首先要检查数控装置中各个风扇是否正常运转。
2）确认各个印刷线路或模块上的直流电源是否正常，是否在允许的波动范围之内。
3）进一步确认CNC装置的各种参数。
4）当数控装置与机床联机通电时，应在接通电源的同时，作为按压紧急停止按钮的准备，以备出现紧急情况时随时切断电源。
5）用手动以低速给移动各个轴，观察机床移动方向的显示是否正确。
6）进行几次返回机床基准点的动作，用来检查数控机床是否有返回基准点功能，以及每次返回基准点的位置是否完全一致。
7）CNC装置的功能测试。

三．CNC系统的日常维护

1）制订CNC系统的日常维护的规章制度。
2）应尽量少开数控柜和强电柜的门。
3）定时清理数控装置的散热通风系统。
4）CNC系统的输入/输出装置的定期维护。
5）定期检查和更换直流电机电刷。
6）经常监视CNC装置用的电网电压。
7）存储器用电池的定期更换。
8）CNC系统长期不用时的维护。
9）备用印刷线路板的维护。对于已购置的备用印刷线路板应定期装到CNC装置上通电运行一段时间，以防损坏。
10）做好维修前期的准备工作：
①技术准备：维修人员应在平时充分了解系统的性能。
②工具准备：作为最终用户，维修工具只需准备一些常规的仪器设备，如交流电压表，直流电压表，可能用指针式的也可以是数字式的，测量误差在±2%范围内即可。万用表也是一种常用的仪表。
③备件准备：一旦由于CNC系统的部件或元器件损坏，使系统发生故障。为能及时排除故障，用户应准备一些常用的备件。

四．故障处置

　　一旦CNC系统发生故障，系统操作人员应采取急停措施，停止系统运行，保护好现场。

（1）故障的表现
①系统发生故障的工作方式
　　工作方式有：Tape（纸带方式）、MDI（手动数据输入方式）、MEMORY（存储器方式）、EDIT（编辑）、HANDLE（手轮）、JOG（点动）方式。
②MDI/DPL（手动数据输入/显示）。
③系统状态显示有时系统发生故障时却没有报警，此时需要通过诊断画面观察系统所处的状态。
④定位误差超差情况。
⑤在CRT上的报警及报警号。
⑥刀具轨迹出现误差时的速度。

（2）故障的频繁程度
①故障发生的时间及频率。
②加工同类工件时，发生故障的概率。
③故障发生的方式，判别是否与进给速度、换刀方式或是与螺纹切削有关。
④出现故障的程序段。

（3）故障的重复性
①将引起故障的程序段重复执行多次进行观察，来考察故障的重复性。
②将该程序段的编程值与系统内的实际数值进行比较，确认两者是否有差异。
③本系统以前是否发生过同样故障？

（4）外界状况
①环境温度。
②周围的振动源。
③系统的安装位置检查，出故障时是否受到阳光的直射等。
④切削液、润滑油是否飞溅到了系统柜、系统柜里是否进水，受到水的浸渍（如暖气漏水）等。
⑤输入电压调查，输入电源是否有波动、电压值等。
⑥工厂内是否有使用大电流的装置。
⑦近处是否存在干扰源。
⑧附近是否正在修理或调试机床、安装了新机床等。
⑨重复出现的故障是否与外界因素有关？

（5）有关操作情况
①经过什么操作之后才发生的故障？
②机床的操作方式对吗？
③程序内是否包含有增量指令？

（6）机床情况
①机床调整状况。
②机床在运输过程中是否发生振动？
③所用刀具的刀尖是否正常？
④换刀时是否设置了偏移量？
⑤间隙补偿给的是否恰当？
⑥机械另件是否随温度变化而变形？
⑦工件测量是否正确？

（7）运转情况
①在运转过程中是否改变过或调整过运转方式？
②机床侧是否处于报警状态？是否已作好运转准备？
③机床操作面板上的售率开关是否设定为"0"？
④机床是否处于锁住状态？
⑤系统是否处于急停状态？
⑥系统的保险丝是否烧断？
⑦机床操作面板上的方式选择开关设定是否正确？

（8）机床和系统之间接线情况
①电缆是否完整无损？
②交流电源线和系统内部电线是否分开安装？
③电源线和信号线是否分开走线？
④信号屏蔽线接地是否正确？
⑤继电器、电磁铁以及电动机等电磁部件是否装有噪声抑制器？

（9）CNC装置的外观检查
①机柜。检查破损情况和是否是在打开柜门的状态下操作。
②机柜内部。风扇电机工作是否正常？控制部分污染程序。
③纸带阅读机。纸带阅读机是否有污物？
④电源单元。保险丝是否正常？
⑤电缆。电缆连接器插头是否完全插入、拧紧？
⑥印刷线路板。印刷线路板数量有无缺损？
⑦MDI/CRT单元。

（10）有关穿孔纸带的检查
①纸带阅读机天关是否正常？
②有关纸带操作的设定是否正确？
③纸带是否折、皱和存有污物？
④纸带的连接处正常否？
⑤纸带上的孔有无破损？
⑥这条纸带是否用过？
⑦使用的是黑色纸带还是其它颜色的纸带？

五．故障检查方法

１．直观法
　　这是一种最基本的方法。维修人员通过对故障发生时的各种光、声、味等异常现象的观察以及认真察看系统的每一处，往往可将故障范围缩小到一个模块或一块印刷线路板。这要求维修人员具有丰富的实际经验，要有多学科的较宽的知识和综合判断的能力。

２．自诊断功能法
　　现代的数控系统虽然尚未达到智能化很高的程度，但已经具备了较强的自诊断功能。能随时监视数控系统的硬件和软件的工作状况。一旦发现异常，立即在CRT上报警信息或用发光二极管批示出故障的大致起因。利用自诊断功能，也能显示出系统与主机之间接口信号的状态，从而判断出故障发生在机械部分还是数控系统部分，并批示出故障的大致部位。这个方法是当前维修时最有效的一种方法。

３．功能程序测试法
　　所谓功能程序测试法就是将数控系统的常用功能和特殊功能，如直线定位、圆弧插补、螺纹切削、固定循环、用户宏程序等用手工编程或自动编程方法，编制成一个功能程序测试纸带，通过纸带阅读机送入数控系统中，然后启动数控系统使之进行运行，藉以检查机床执行这些功能的准确性和可靠性，进而判断出故障发生的可能起因。本方法对于长期闲置的数控机床第一次开机时的检查以及机床加工造成废品但又无报警的情况下，一时难以确定是编程错误或是操作错误，还是机床故障时的判断是一较好的方法。

４．交换法
　　这是一种简单易行的方法，也是现场判断时最常用的方法之一。所谓交换法就是在分析出故障大致起因的情况下，维修人员可以利用备用的印刷线路板、模板，集成电路芯片或元器件替换有疑点的部分，从而把故障范围缩小到印刷线路板或芯片一级。它实际上也是在验证分析的正确性。
　　在备板交换之前，应仔细检查备板是否完好，并应检查备板的状态应与原板状态完全一致。这包括检查板上的选择开关，短路棒的设定位置以及电位器的位置。在置换CNC装置的存储器板时，往往还需要对系统作存储器的初始化操作（如日本FANUC公司的FS—6系统用的磁泡存储器就需要进行这项工作），重新设定各种数控数据，否则系统仍将不能正常地工作。又如更换FANUC公司的7系统的存储器板之后，需重新输入参数，并对存储器区进行分配操作。缺少了后一步，一旦零件程序输入，将产生60号报警（存储器容量不够）。有的CNC系统在更换了主板之后，带需进行一些特定的操作。如FNUC公司在FS—10系统，必须按一定的操作步骤，先输入9000～9031号选择参数，然后才能输入0000号至8010号的系统参数和PC参数。总之，一定要严格地按照有关系统的操作、维修说明书的要求进行操作。

５．转移法
　　所谓转移法就是将CNC系统中具有相同功能的二块印刷线路板、模块、集成电路芯片或元器件互相交换，观察故障现象是否随之转移。藉此，可迅速确定系统的故障部位。这个方法实际上就是交换法的一种。因此，有关注意事项同交换法所述。

６．参数检查法
　　众所周知，数控参数能直接影响数控机床的功能。参数 通常是存放在磁泡存储器或存放在需由电池保持的CMOS RAM中，一旦电池不足或由于外界的某种干扰等因素，会使个别参数丢失或变化，发生混乱，使机床无法正常工作。此时，通过核对、修正参数，就能将故障排除。当机床长期闲置工作时无缘无故地出现不正常现象或有故障而无报警时，就应根据故障特征，检查和校对有关参数。
　　另外，经过长期运行的数控机床，由于其机械传动部件磨损，电气无件性能变化等原因，也需对其有关参数进行调整。有些机床的故障往往就是由于未及时修改某些不适应的参数所致。当然这些故障都是属于故障的范畴。

７．测量比较法
　　CNC系统生产厂在设计印刷线路板时，为了调整、维修的便利，在印刷线路板上设计了多个检测用端子。用户也可利用这些端子比较测量正常的印刷线路板和有故障的印刷线路板之间的差异。可以检测这些测量端子的电压或波形，分析故障的起因及故障的所在位置。甚至，有时还可对正常的印刷线路人为地制造"故障"，如断开连线或短路，拨去组件等，以判断真实故障的起因。为此，维修人员应在平时积累印刷线路板上关键部位或易出故障部位在正常时的正确波形和电压值。因为CNC系统生产厂往往不提供有关这方面的资料。

８．敲击法
　　当系统出现的故障表现为若有若无时，往往可用敲击法检查出故障的部位所在。这是由于CNC系统是由多块印刷线路板组成，每块板上又有许多焊点，板间或模块间又通过插接件及电缆相连。因此，任何虚焊或接触不良，都可能引起故障。当用绝缘物轻轻敲打有虚焊及接触不良的疑点处，故障肯定会重复再现。

９．局部升温
　　CNC系统经过长期运行后元器件均要老化，性能会变坏。当它们尚未完全损坏时，出现的故障变得时有时无。这时可用热吹风机或电烙铁等来局部升温被怀疑的元器件，加速其老化，以便彻底暴露故障部件。当然，采用此法时，一定要注意元器件的温度参数等，不要将原来是好的器件烤坏。

１０．原理分析法
　　根据CNC系统的组成原理，可从逻辑上分析各点的逻辑电平和特征参数（如电压值或波形），然后用万用表、逻辑笔、示波器或逻辑分析仪进行测量、分析和比较，从而对故障定位。运用这种方法，要求维修人员必须对整个系统或每个电路的原理有清楚的、较深的了解。
　　除了以上常用的故障检查测试方法外，还有拔板法，电压拉偏法，开环检测法以及在上章中曾提出的诊断方法等多种。这些检查方法各有特点，按照不同的故障现象，可以同时选择几种方法灵活应用，对故障进行综合分析，才能逐步缩小故障范围，较快地排除故障。

六．故障排除的一般方法

　　当数控系统出现报警发生故障时，维修人员不要急于动手处理，而应多进行观察和试验。

１．充分调查故障现场

　　这是维修人员取得第一手材料的一个重要手段。一方面要向操作者调查，详细询问出现故障的全过程，查看故障记录单，了解发生过什么现象，曾采取过什么措施等；另一方面，要对现场要做细致的勘查。从系统的外观到系统内部各印刷线路板都应细心地察看是否有异常之处。在确认系统通电无危险有情况下，方可通电，观察系统有何异常，CRT显示的内容等。

２．认真分析产生故障的起因

　　当前的CNC系统智能化程度都比较低，系统尚不能自动诊断出发生故障的确切原因。往往是同一报警号可以有多种起因，不可能将故障缩小到具体的某一部件。因此，在分析故障的起因时，一定要思路开阔。往往有这种情况，自诊断出系统的某一部分有故障，但究其起源，却不在数控系统，而是在机械部分。所以，无论是CNC系统，机床强电，还是机械、液压、气路等，只要有可能引起该故障的原因，都要尽可能全面地列出来，进行综合判断和筛选，然后通过必要的试验，达到确诊和最终排除故障的目的。
　　造成数控系统故障而又不易发现的另一个重要原因是干扰。根据经验，大致有下面几种原因。
（１）机床生产厂的装配工艺问题
　　装配工艺不好反映在干扰方面的表现大致有如下几点。①没有采用一点接地法。有些机床生产为了图省事，到处就近接地，结果造成多点接地，形成地环流。②由于接地点选择不当或接触不良，甚至虚焊造成接地电阻变大而引起噪声干扰。③CNC系统与主机的信号通讯，有许多是采用屏蔽线连接的，若对屏蔽地处理不当，没有按照规定连接（如有的屏蔽地按规定只许接在系统侧，而不能接在机床侧，如图4.3—1所示）也是造成干扰的一种因素。
（２）强电干扰
　　数控机床的强电柜中的接触器、继电器等电磁部件均是CNC系统的干扰源 。交流接触器，交流电机的频繁起动、停止时，其电磁感应现象会使CNC系统控制电路中产生尖峰或波涌等噪声，干扰系统的正常工作。因此，一定要对这些电磁干扰采取措施，予以消除。
　　通常是采用在交流接触器线圈的两端或交流电机的三相输入端并联RC网络，而在直流接触器或在直流电磁阀的线圈两端反相并入一个续流二极管等的办法来抑制这些电器产生的干扰噪声（如图4.3—2所示）。但要注意一点，这些并入的吸收网络的连线不应大于20cm，否则，其效果就不理想。
　　同时，查CNC系统的控制电路的输入电源部分，也要采取措施。一般多用浪涌吸收器并联在电源线间，如图4.3—3所示，从而可有效地吸收电网中的尖峰电压，起到一定的保护作用。
（３）供电线路的干扰
　　由于我国局部地区电力不足和供电频率不稳和用户厂电网分配不合理等因素造成供电线路的干扰。现象可归纳为超压、欠压、频率和相位漂移、谐波失真、共模噪声及常模噪声等原因。为养活供电电线路干扰可采取下列措施。
①在电网电压变化较大的地区，应在CNC系统的输入电源前增加电子稳压器，以养活电网电压波动。如果能加入电源调节器，则效果更好，但切不可串入自耦变压器。
②用户厂的供电线路的容量应能满足数控机床电器容量的要求。
③数控机床避免与电火花设备以及大功率的起、停频繁的设备共用一干线，以免这些设备的干扰通过供电线串入到CNC系统中。
④数控机床设备安置时应远离中频炉、高频感应炉等变频设备。

３．动手修复

　　一旦故障部位已找到，但手头却无可更换的备件时，可用移植借用办法，作为应急措施来解决。例如某一组件坏了（如与非门或触发器等），但损坏的往往只是组件中的某一路，其它几部分还是好的。而在印刷线路板的设计中，又往往只是用了组件中的一部分，没有全部用满。此时，可将没有使用的富余部分取来作为应急用。具体的作法是，切断已损坏部分的插脚（包括输入和输出脚），然后由区线将信号输入、输出线引至富余的组件插脚 上即可。

典型数控机床维修方法

一．西门子3系统的维修

1）电源接通后无基本画面显示
（a）电路板03840号板上无监控灯显示
（b）03840号电路板上监控灯亮
①监控灯闪烁。如果监控灯闪烁频率为1Hz，则EPROM有故障；如果闪烁频率为2Hz，则PLC有故障；如以4Hz频率闪烁，则保持电池报警，表示电压已不足。
②监控灯左灭右亮。表示操作面板的接口板03731板有故障或CRT有故障。
③监控灯常亮。这种故障，通常的原因有：CPU有故障；EPROM有故障；系统总线（即背板）有故障、电路板上设定有误、机床数据错误、以及电路板（如存储器板、耦合板、测量板）的硬件有故障。

2）CRT上显示混乱
（a）保持电池（锂电池）电压太低，这时一般能显示出711号报警。
（b）由于电源板或存储曾被拔出，从而造成存储区混乱。这是一种软故障，只要将CNC内部程序清除并重新输入即可排除故障。
（c）电源板或存储器板上的硬件故障造成程序显示混乱。
（d）如CRT上显示513号报警，表示存储器的容量不够。

3）在自动方式下程序不能启动
（a）如此时产生351号报警，表示CNC系统启动之后，未进行机床回基准点的操作。
（b）系统处于自动保持状态。
（c）禁止循环启动。 检查PLC与NC间的接口信号Q64.3。

4）进给轴运动故障
（a）进给轴不能运动。造成此故障的原因有：
①操作方式不对；
②从PLC传至NC的信号不正常；
③位控板有故障（如03350，03325，03315板有故障）。
④发生22号报警，它表示位置环未准备好。
⑤测量系统有故障。如产生108，118，128，138号报警，这是测量传感器太脏引起的。如产生104，114，124，134报警，则位置环有硬件故障。
⑥运动轴处于软件限位状态。只要将机床轴往相反方向运动即可解除。
⑦当发生101，111，121，131号报警时，表示机床处于机械夹紧状态。
（b）进给轴运动不连续。
（c）进给轴颤动。
①进给驱动单元的速度环和电流环参数没有进行最佳化或交流电机缺相或测速元件损坏，均可引起进给轴颤动。
②CNC系统的位控板有故障。
③机构磨擦力太大。
④数控机床数据有误，有关机床数据的正确设定如下。
（d）进给轴失控。
①如有101，111，121，131号报警请对夹紧进行检查。
②如有102，112，122，132号报警，则说明指令值太高。
③进给驱动单元有故障。
④数控机床数据设定错误，造成位置控制环路为正反馈。
⑤CNC装置输至驱动单元的指令线极性错误。
（e）103～133号报警。这是轮廓监控报警。速度环参数没有最佳化或者KV系数太大。
（f）105～135号报警。位置漂移太大引起的。移量超过500mv，检查漂移补偿参数N230～N233。

5）主轴故障
　　如果实际主轴转速超过所选齿轮的最高转速，则产生225号报警；如主轴位置环监控发生故障，则发生224号报警。

6）V·24串行接口报警
（a）20秒内仍未发送或接收到数据时：
①外部设备故障；
②电缆有误；
③03840板有故障。
（b）穿孔纸带信息不能输入，其原因有：
①操作面板上钥匙开关在关的位置，从而造成纸带程序不能输入；
②如果0384号板上的数据保护开关不在释放位置时，不能输入数据纸带；
③如果不能输入L80～L99和L900～L999号子程序，则多是由于PLC与NC接口信号Q64·3为"1"（循环禁止）引起的。
（c）停止位错误。
①波特率设定错误；
②阅读机有故障；
③机床数据错误。

二．FANUC公司的Ⅲ系统维修
　　可参考《数控机床使用与维修》一书 [s:18]